引起甘肃省暴雨的两种中尺度系统环境场对比

郑 新，向 军

（兰州中心气象台，甘肃 兰州 730020）

1 概述

中国暴雨表现出明显区域特征，而且成因复杂[1],其中暴雨是由多尺度天气系统相互作用的结果[2]。随着我国观测资料特别是高分辨率模式产品资料的广泛应用，对导致暴雨的中小尺度对流系统研究也逐渐深入[3]；充沛的水汽输送是暴雨期间中尺度对流形成的先决条件，表现为环境大气中具有较高的相对湿度、深厚湿层以及强低层水汽辐合等特征[4]；其次，暴雨的发生发展也伴随着明显的中尺度对流云团[5]，它们之间的合并及组织化过程对诱发短时强降水的发生具有重要作用[6]，而导致暴雨发生发展的中尺度系统的爆发则需要触发机制，切变线和地面辐合线相交的地区，是产生暴雨的对流单体初生和强烈发展的区域[7]。上述研究表明在暴雨发生期间中小尺度系统的重要作用，对探讨区域性暴雨触发机制和实际工作都具有重要意义。

但对于甘肃省特殊地形背景下不同中尺度影响系统引发的强降水天气研究比较少，本文对2018年7 月10 日—7 月11 日和2018 年8 月20 日—8月21 日两次甘肃省强降水过程的中尺度影响系统、环流背景、动力特征、热力条件、水汽条件等因素进行对比分析，探讨甘肃省不同中尺度系统引发的强降水天气的发生、发展机制，以期对此类型降水天气的监测和预报提供一些参考依据。

2 资料

利用甘肃省逐小时加密自动站逐日降水数据和ERA5 全球再分析资料，水平分辨率0.25×0.25，垂直分辨率37 层，时间分辨率为1h，气象要素包括风场、位势高度场、温度场、相对湿度场、垂直速度场等资料。

3 实况分析

2018 年7 月10 日08 时—2018 年7 月11 日08 时（以下简称“个例1”），甘肃省陇东地区出现强降水，陇南、天水、平凉、庆阳等市部分地方出现暴雨，陇南、庆阳两市局部地方出现大暴雨，整个雨带呈现东北-西南走向，降水大值中心出现在文县中庙198.4mm。另外，全省共出现162 站次短时强降水（短时强降水：小时雨强≥20mm），最大小时雨强为10 日16 时—17 时会宁县党岘37.5mm。

2018 年8 月20 日20 时—21 日20 时（以下简称“个例2”），甘肃省大部分地方出现降水，张掖、临夏、兰州、定西、白银、平凉、庆阳等市州出现暴雨，兰州、庆阳两市出现大暴雨，雨带呈东西走向，较为分散，存在3 个降水大值中心，分别为张掖肃南、兰州榆中、庆阳镇原。最大为兰州榆中上庄167.5mm。另外，全省共出现138站次短时强降水，最大小时雨强为2018 年8 月20 日22 时-23 时肃南县甘坝口61.2mm。如图1 所示。

图1 两次暴雨过程24h 降水量时空分布特征

4 形势场对比

如图2 所示分别给出了两个个例700hPa 风场分布图，从图中可以看出，个例1 低层降水的主要影响系统为切变线，由河西走廊进入河东地区的西北风在白银转为北风开始南下，与川陕地区北上的南风在甘肃省陇东南地区交汇形成切变线，造成甘肃省陇东南一带的强降水事件，而个例2 的影响系统与个例1 则完全不同，个例2的主要影响系统为中尺度低涡，根据逐小时再分析资料700hPa 风场可以看出，低涡的移动路径为兰州—白银—平凉—陕西，2018 年8 月21 日07时在兰州临夏交界区域生成，直至2018 年8 月21 日20 时进入陕西省对甘肃省的影响结束，结合降水图可以看出低涡移动路径与降水分布基本一致。

图2 两次过程700hPa 风场空间分布

为了进一步对比两个个例高空环流场的分布情况，如图3 所示。给出了700 hPa 风场对应时500 hPa温压场的分布图，个例1 中受位于东海地区第8 号超强台风“玛莉亚”影响，副热带高压西伸，台风及热带低压外围水汽沿副热带高压南侧被源源不断地输送到西北地区东部；青海东部有高原槽东移，甘肃河东地区处于高原槽前西南气流中；原位于西伯利亚地区的低压不断南压，低压中心位于贝加尔湖西部，其底部冷空气移至甘肃河西西部，随着冷空气的东移南下，与高原槽前的西南暖湿气流在甘肃陇东南交汇，配合低层切变线是造成这次暴雨天气的主要原因。个例2 高空环流形式相对于个例1 并不有利，其中我国中高纬至贝加尔湖北部高压脊控制，副热带高压受台风影响明显偏东，甘肃省中东部地区受高原短波小槽影响，对应低层中尺度低涡是引发此次降水的主要因素。

图3 两次过程500hPa 温压场空间分布

5 动力条件对比

高低层环流配置的差异，导致高空急流及其次级环流在两个个例中表现出很大不同。个例1 在35N 附近上升运动最强，中心值达到4Pa/s，在29N 和38N 附近有弱的下沉运动，从而形成两个从对流层低层延伸至对流层顶的深厚闭合环流圈，根据质量守恒原理，这两个闭合环流圈更加有利于垂直上升运动的维持。反观个例2，37N 附近上升运动明显，但相比于个例1 强度及范围略小，只有在42N 中层有一个弱的闭合环流圈，导致整体降水时间较短。如图4 所示。

图4 矢量风（v-w 合成，w 放大100 倍）与垂直速度（单位：hPa/s）经向剖面

为了更好的说明两次个例的动力学特征，个例1中选取位于降水大值中心文县中庙，个例2 选取雨带次大值中心的榆中站进行对比其涡度场和散度场的高低空配置如图5 所示。大约在550hPa 高度以下中庙上空为辐合，500hPa 以上为辐散，低层辐散高层辐合，低层为正涡度，随高度增加逐渐变为负涡度，600hPa 以上有转为正涡度，对流层高层又变为负涡度，结合图4 垂直运动，此结构有利于垂直上升运动增强维持。个例2700hPa 以下为辐合，650～700hPa 之间为辐合，之后直到500hPa 又变为辐合，500hPa 以下为正涡度，对比个例1 发现此低涡系统为浅薄系统，整个动力配置表现都较个例1 弱。

图5 涡度（实线）散度（虚线）垂直分布

6 热力条件对比

假相当位温是一种保守物理量，其综合反应了温度、压力、湿度场的变化特点，可以较好反应大气的暖湿特征，同时也可展现气块的不稳定能量。

文县中庙站白天中层位势不稳定逐渐增强，到了晚上等值线逐渐加密，表明冷暖空气于夜晚相遇，出现锋区，降水区暖湿属性增强，中低层假相当位温较之白天有所增加4～8K。反观个例2 的榆中站，整个过程的中低层处于位势不稳定条件下，中尺度低涡的长时间维持是造成低层位势不稳定的主要原因，整个hPa700 处于高温高湿状态且长时间维持，但中高层则相反，这与整个系统的配置息息相关。如图6 所示。

图6 中庙站、榆中站假相当位温垂直分布

7 水汽条件对比

源源不断的水汽供应是产生暴雨的一个重要条件。如图7 所示给出两次过程从地面到200 hPa 垂直积分的水汽通量分布。由图7 可见，个例1 影响甘肃省的水汽通道主要来源于东海台风以及副热带高压西部的偏南风水汽通道。对于个例2 的水汽分布来说，影响甘肃省的水汽通道主要由来自于孟加拉湾的水汽经云南-四川进入甘肃，同时来自祁连山区的偏西风暖湿气流进入甘肃省西部，显然来自于海湾的水汽含量比来自于高原山区的水汽含水量要大。两个个例的水汽来源明显不同，虽然两次过程在东海都有台风影响，但个例1 受台风和副热带高压的影响更大，而且从来自海上的水汽通量值可以看出个例1 明显大于个例2。

图7 两次过程整层水汽通量和水汽通量矢量空间分布

8 结论

利用甘肃省逐小时加密自动站逐日降水数据和ERA5 逐小时全球再分析资料分析，使用天气学诊断方法，对比了两次低层不同影响系统的环流形式、动力特征、热力条件、水汽条件等，得出以下结论：

（1）切变线引起的暴雨过程其500hPa 受台风副热带高压西伸影响，副热带高压南侧被源源不断地输送到西北地区东部；整个甘肃省处于贝加尔湖西部深厚低压控制下，且青海东部有高原槽东移，甘肃河东地区处于高原槽前西南气流中；中尺度低涡引起的暴雨过程我国中高纬至贝加尔湖北部高压脊控制，副热带高压受台风影响明显偏东，大环流背景不利于降水产生，其主要受甘肃省中东部地区受高原短波小槽影响。

（2）切变线引起的暴雨形成两个次级环流闭合圈，且低层辐合高层辐散，低层正涡度，中高层负涡度，此结构有利于垂直上升运动增强维持；中尺度低涡引起的暴雨过程高空急流及其次级环流圈较弱，但上升运动很明显，低层辐合—中层辐散—高层辐合，整个低涡显示为浅薄系统。

（3）切变线引起的暴雨白天到夜间中层位势不稳定逐渐增强，且夜晚假相当位温线密集出现锋区，水汽主要由位于东海的超强台风以及副热带高压西部的偏南风维持输送；中尺度低涡引起的暴雨过程整个过程的中低层处于位势不稳定条件下，低层长时间处于高温高湿状态，但高层则恰好相反，水汽来源分别来自孟加拉湾和祁连山区。虽然两次过程在东海都有台风存在，但明显看出切变线降水比中尺度低涡降水更易受到其影响。